泄漏工况下LNG燃爆事故时空演化特征

张洋杰，周 瑶，何华刚，丁金金，张方舟，佟国强

(1.应急管理部研究中心，北京 100713；2.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；3.深圳市金鼎安全技术有限公司，广东 深圳 518000；4.赛飞特工程技术集团有限公司，山东 青岛 266061)

0 引 言

随着中国“碳达峰”和“碳中和”目标的实施，天然气将成为其他化石能源的最佳替代品之一。而目前，中国天然气需求主要来源于进口，进口天然气的途径共有2种：一种是通过跨国天然气管道输送，以中俄东线天然气管道为代表，另一种则为进口液化天然气[1-2](liquefied natural gas，LNG)。而液化天然气储气站作为管道沿线的重要组成，在储运调峰、燃气发电等方面发挥着重要的作用。其中LNG储罐是储气站的主要储存容器，LNG的储存方式为低压、低温，但由于LNG液化生产的过程中不可避免地会混入H2O，H2S，HCL等气体，而这些气体在露点温度下会变成腐蚀性液体，从而形成酸性腐蚀环境，对罐体产生腐蚀作用[3-4]。一旦发生泄漏，根据泄漏情形的不同，会引发蒸气云爆炸、池火灾、喷射火等燃爆事故，易形成多米诺效应，造成大面积火灾，导致严重的经济损失和人员伤亡[5-6]。因此，研究LNG泄漏扩散的时空演化规律，准确预测LNG泄漏对人员财产的影响范围，对应急处置和救援具有十分重要的意义。

国内外学者针对LNG泄漏的研究，目前主要集中在理论、相似模拟实验、数值模拟等方面。其中理论方面主要以模型为主，包含有高斯、唯象(即经验)、BM(bench mark)、箱型相似、浅层理论模型等[7-9]。相似模拟实验主要有Maplin Sands系列实验、Burro系列实验、Coyote系列实验、Falcon系列实验、Meroney实验以及阿肯色大学危险化学品研究中心进行的一系列风洞试验等[10-12]。数值模拟方面主要利用Fluent，FLACS(flame acceleratioin simulation)、FDS(fire dynamic simulation)等软件进行模拟研究。如：ZHANG等通过数值模拟不同风向LNG泄漏情况，发现LNG在顺风水平方向扩散最远[13]。MARSEGAN等基于数值模拟发现主动设置屏障可有效有效减小LNG泄漏后的扩散范围[14]。NGUYEN等在2017年首次通过试验手段发现LNG的泄漏率与液池扩展速度和蒸发速率呈正相关，同时根据一维热传导模型建立了蒸发速率与泄漏率和时间的函数关系[15]。

综上所述，目前对LNG泄漏扩散的研究主要侧重于不同大气环境对LNG扩散距离的影响[16-20]，但针对因LNG泄漏导致引发连锁反应，发生蒸气云爆炸、池火灾等燃爆事故的演化特征研究较少[21-24]。因此，文中结合相关风险报告和标准，以中国广州深圳大鹏接收站为研究对象，综合考虑其泄漏点位置、泄漏速率、风速、风向以及大气环境温度等多种因素，对LNG接收站泄漏的扩散过程、蒸气云爆炸和油池火灾进行了模拟，深入分析了因LNG接收站泄漏引发连锁反应导致蒸气云爆炸与油池火灾的时空演化特征，为LNG接收站的选址、站内布局和储罐泄漏应急处置提供理论依据和支撑。

1 模型构建

1.1 FLACS数值模型

LNG接收站泄漏与蒸气云爆炸的数值模拟均基于CFD(computational fluid dynamics)和FVM(finite volume method)方法，采用FLACS软件进行模拟。FLACS对气相模型的计算主要基于以下3个流体力学基本公式[25]。

流体力学连续性方程

1)微分方程为

(1)

式中ux，uy，uz，分别为流体流动的速度矢量在x，y，z3个方向上的分量，m/s；t为流体流动的时间，s；ρ为流体密度，kg/m3。

2)流体力学动量方程

x，y，z的3个方向的动量方程为

(2)

式中P为流体微元体上的压强，Pa；τxi，τyi，τzi因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面的黏性应力τ在xyz3个方向上的分量，Pa；fi为3个方向的单位质量力，m/s2。

3)流体力学能量方程

(3)

(4)

(5)

式中E为流体微团的总能，J/kg；h为焓，J/kg；hj为组分j的焓，J/kg；keff为有效热导系数，W/(m·K)；Jj为组分j的扩散通量；Sh包括了化学反应和其它定义的体积热源项。

1.2 FDS火灾数值模型

池油火灾的模拟，采用火灾数值模拟软件FDS。火焰的燃烧方程是由气体密度、速度矢量、外部力矢量等变量的偏微分方程构成，牛顿流体的质量、动量和能量的守恒方程表示如下。

牛顿流体的质量守恒方程

(6)

动量守恒方程

(7)

能量守恒方程

(8)

理想气体状态方程

(9)

1.3 工况参数

LNG接收站泄漏扩散模型环境参数参考当地的气象资料，泄漏管道、LNG的理化性质、场区防火堤的高度等参数设置参考《深圳市大鹏新区油气库企业和高压管道安全风险咨询报告》《深圳市空港油料有限公司成品油经营单位安全评价报告》《空港油料公司重大危险源评估报告》《空港油库改造说明》等。参数设置见表1。

表1 工况参数

点火源位置如图1白色圆点所示，具体坐标为(-47.5，153.5，41.1)，分别对应XYZ轴。由图2可知，广东大鹏LNG接收站的敏感区包括迭福路、东部电厂和码头卸油区，因此针对该区域，对该场区内1号罐顶部阀门处，分别进行了无风条件与风速为5 m/s的模拟研究，总网格数为789 276，最小网格尺寸为1 m，场区模型如图3所示；考虑因泄漏引发连锁反应导致池油火灾、蒸气云爆炸事故的发生，为人员疏散以及应急预案的编写提供依据，因此将风速设置1.3 m/s，泄漏速率为145.92 m/s，风向为西北风，大气稳定度F级。

图1 点火源位置Fig.1 Ignition source location

图2 广东大鹏LNG接收站卫星布局Fig.2 Satellite layout of Guangdong Dapeng LNG receiving station

图3 广东大鹏LNG的场区模型Fig.3 Site model of Guangdong Dapeng LNG

2 计算实例

2.1 LNG接收站泄漏模拟分析

在不同风速条件下通过对LNG接收站泄漏模拟，发现LNG持续泄漏扩散过程具有明显的分阶段特征，同时甲烷扩散范围在不同风速条件下随时间的变化也有明显的不同。

从图4可以看出，泄漏点在无风条件下扩散初期呈椭圆形扩散，图中蓝色区域大部分为低于爆炸浓度下限(5%)，但高于0.94%的泄漏浓度。此浓度范围以上，人员穿戴和佩戴防护用具时可不受伤害，反之亦然，因此该区域范围为危险区域范围。随时间的增长椭圆形扩散的径向尺寸逐渐增大，当泄漏时间到达200 s左右时椭圆形危险区域范围开始发生破裂，并向四周蔓延扩散，此时甲烷燃烧爆炸上限(UFL)距离、爆炸下限(LFL)距离和容许接触浓度(0.5LFL)安全距离增加。

图4 无风条件下不同时刻LNG接收站泄漏扩散情况三维图(编号1的工况)Fig.4 Three-dimensional diagram of leakage diffusion at the LNG receiving station at different moments under windless conditions(No.1 working condition)

在无风条件下，泄漏口设置在1号罐顶部，泄漏口方向正对东部电厂敏感区位置，且储罐内外存在较大压力差，LNG泄漏浓度较大，在气压的作用下泄漏出来的LNG首先会向东部电厂敏感区方向径向扩散，释放气压，在气压得到释放后，再继续横向扩散。泄漏发生第50 s时，泄漏的LNG已经蔓延至场区边缘；在泄漏发生第100 s时，泄漏的LNG造成的危险区域范围继续沿东部电厂方向扩大；泄漏发生第150 s时，危险区域范围区域已蔓延至东部电厂区域；泄漏发生第200 s时，危险区域范围沿着东部电厂方向蔓延，并且有将整个电厂全部覆盖的趋势。

从图5可以看出，泄漏点在风速5 m/s条件下扩散初期呈现径向性扩散。当设置风向为东部电厂方向时，泄漏发生第50 s时，LNG泄漏产生的危险区域范围已经扩散到东部电厂敏感区边缘；在泄漏发生第100 s时，LNG泄漏扩散范围明显扩大，泄漏的LNG逐渐向空中扩散；泄漏发生第150 s时，LNG扩散至空中高度达到将近100 m，并且整个东部电厂敏感区已经开始被危险区域范围所覆盖；泄漏发生第200 s时，危险区域范围沿着东部电厂方向进一步扩大，并且有将整个场区完全覆盖的趋势。

图5 风速5 m/s条件下不同时刻LNG接收站泄漏扩散情况三维图(编号2的工况)Fig.5 Three-dimensional diagram of leakage diffusion at the LNG receiving station at different moments under the condition of wind speed of 5 m/s(No.2 working condition)

通过将无风条件与有风条件进行对比，发现在无风条件下，LNG泄漏危险浓度区域横向扩散范围更大；而在有风情况下，泄漏的LNG形成的危险浓度区域向敏感区扩散速度更快，垂直向天空扩散的高度更高，但扩散区域内LNG浓度范围更小。因此，在距离泄漏点较近的敏感区内必须设置无风情况来考虑泄漏危险浓度对于敏感区的影响。造成这样不同的原因为，风速加快了大气的湍流，使得LNG泄漏产生的有害浓度被稀释消散。

2.2 蒸气云爆炸模拟分析

为了研究LNG接收站持续泄漏时引发爆炸，不同风速对爆炸蒸气云浓度扩散的影响，对编号3的工况进行了模拟。

通过对比图6(a)和图6(b)，发现无风条件下LNG接收站持续泄漏时引发爆炸蒸气云浓度形成规律为：以泄漏口为起点，向东部电厂方向扩散至罐区边缘处(浓度在5%～15%的甲烷浓度遇火极容易发生爆炸)；风速5 m/s条件下爆炸蒸气云浓度形成规律为：以泄漏口为起点，向东部电厂方向扩散至罐区边缘，并蔓延至东部电厂与储罐区间的小山坡地区。在此区域范围内遇明火则会引发爆炸事故，其爆炸范围最远波及至电厂与储罐区之间的小山坡地区。同时其爆炸蒸气云浓度分布相比无风条件，纵向(沿风速方向)蔓延的距离更远，而横向范围，无风条件下的爆炸蒸气云浓度的范围更广。

图6 不同风速条件下爆炸蒸气云浓度分布三维图(编号3的工况)Fig.6 Three-dimensional diagram of concentration distribution of explosion vapor cloud under different wind speeds(No.3 working condition)

由图7可知，爆炸的燃烧区域并未覆盖整个爆炸极限浓度蒸汽云分布范围，这是因为爆炸火焰产生的高温热辐射使周围环境温度升高，间接加热了火焰周围的可燃气云，促使部分可燃气云的浓度迅速降至可燃下限以下，导致无法被燃烧。而由于爆炸高温气流所产生的压力差，促使大量LNG气云迅速爬升。此时近地面的不在可燃烧范围内的LNG气云也同时向燃烧爆炸的中心涌动，随着爆炸高温气流一起上升。在爆炸瞬间产生的超压冲击波的配合作用下，导致高温燃烧形成抽吸作用，造成附近的LNG气云大量减少，因此云爆最终发生在东部电厂附近，而并未发生在小山坡地区。

图7 LNG泄漏引发爆炸燃烧区域三维效果Fig.7 Three-dimensional effect of burning area caused by LNG leakage explosion

爆炸测点由图8绿色圆点位置M1处所示，M1的坐标为(0.125，-400.5，10.5)。由图9可知，爆炸初期，测点处超压冲击波的压强变化剧烈，随时间推移压强变化频率与冲击波压强的峰值逐渐减小。造成压强值反复变化的原因可归咎于，超压冲击波在传播过程中受到了周围障碍物的影响出现反弹现象，在反弹的过程中，受到空气阻力等影响，导致冲击波的能量逐渐衰减，因此反弹回来的爆炸冲击波压力峰值在逐渐减小。爆炸发生360 s后，超压冲击波压强值逐渐恢复到爆炸发生前状态。

图8 爆炸测点设置Fig.8 Setting of explosion measurement points

图9 爆炸测点处压强随时间变化Fig.9 Variation of pressure with time at the explosion measurement point

由图10可知，爆炸开始时，超压冲击波的值短暂上升，此后迅速下降至约2.5×10-4bar(1 bar=1标准大气压)，之后在0.2 s内超压冲击波又迅速到达峰值，在0.3～0.8 s时超压冲击波压强值又开始迅速下降。造成超压冲击波压强值波动的原因可归咎于，前期爆炸蒸气云受到高温冲击后累计释放以及火焰运动趋势共同作用导致曲线上升；随后由于受到泄放惯性的影响，引发负压膨胀波的形成，从而导致超压冲击波压强值迅速下降；随着LNG气云与氧气混合经火焰射流引燃后会进一步燃烧，促使压力快速回升形成外部爆燃峰值，之后外场爆燃逐渐减缓压力值也随之下降。

图10 爆炸测点处第0～1 s超压冲击波变化Fig.10 Variation of overpressure shock wave in 0～1 second at explosion measurement point

2.3 油池火灾模拟分析

为研究LNG接收站持续泄漏时引发油池火灾，其发生发展过程对厂区的影响，对编号4工况进行模拟，油池尺寸为289 m×50 m×0.005 m。

该场景油池火灾模拟地点为LNG接收站1号罐发生泄漏后在地面聚集形成液池，遇到火源后形成油池火灾，如图11、图12所示。

图11 储罐池火灾点卫星图Fig.11 Satellite diagram of the fire points of the storage tank pool

图12 LNG接收站模型Fig.12 LNG receiving station model

由图13、图14可知，火焰温度从液面到火焰底部存在一段迅速增加的过程，越过这一过渡区到达火焰底部后火焰的温度逐渐进入稳定阶段。火焰底部部分温度相对较低，是因为火焰底部到油面存在一个蒸气带，会吸收部分热量，且该处存在空气的吸卷作用，对流传热加强，使得温度略有降低。在整个模拟的时间里热释放速率最大值约为7.35×107kW，空间内最大温度约为1 200 ℃。

图13 二维温度分布Fig.13 Two-dimensional distribution of temperature

图14 三维温度分布Fig.14 Three-dimensional distribution of temperature

由图15可知，距离火焰中心30 m的地方既1号储罐附近，在t=0到t=175 s左右辐射热流密度逐渐增大到45 kW/m2，在t=175 s左右时辐射热流密度达到最大90 kW/m2，这主要是由于油池燃烧过程中，在与燃烧壁面接触位置会产生气泡，随着持续燃烧，气泡产生量不断增加，当气泡量足够多时，就会跃离燃料与油池接触壁面，转移到油池液面，气泡扰动作用使得油池燃料流动性增强，形成了核态沸腾形象，因此辐射热流密度会迅速增加。最后在t=175到t=200 s的时间段内辐射热流密度维持在30 kW/m2上下波动。

图15 距火焰中心30 m辐射热流密度Fig.15 Radiant heat flow density at 30 m from the center of the flame

由图16可知，距离火焰中心110 m的地方既靠近电厂附近，在t=0到t=150 s左右辐射热流密度呈上升趋势，在t=150到t=175 s左右时，辐射热流密度有下降的趋势，最后在t=175到t=200 s的时间段内辐射热流密度突然快速增大。通过对比图15与图16可得，火焰中心距离与辐射热流密度成反比，相邻油池表面各点的热辐射通量值与其距挡火墙距离成反比，距挡火墙越远热辐射通量值越小。

图16 距火焰中心110 m辐射热流密度Fig.16 Radiant heat flow density at 110 m from the flame center

3 对策措施

1)风速对LNG泄漏速度及浓度有较大影响，因此针对LNG接收站选址问题，在考虑经济效益的同时，应尽量选择通风良好的开阔地带。另外，可在泄漏点上风侧采取强制加风的措施，如防爆风机等，可加快大气湍流，使得有害浓度更快被稀释消散。

2)定期检查并维修罐体、阀门或焊缝等位置的功能完整性，加强日常巡检，避免因裂缝的出现导致LNG泄漏；同时降低地面粗糙度，避免地表液池的形成，可在罐区附近人为设置坡度或封闭的阻墙，在阻隔的同时引导气流方向。

3)重点关注泄漏点下风侧的危险区域，抢险人员进行救援时，尽量站于上风侧，并合理配戴防护用具。

4 结 论

1)基于CFD方法，采用FLACS软件对不同风速条件下LNG接收站泄漏进行了模拟，发现LNG持续泄漏扩散过程具有明显的分阶段特征。在无风条件下，LNG泄漏危险浓度区域横向扩散范围更大；当风速为5 m/s时，泄漏的LNG向敏感区扩散速度更快，垂直于天空扩散的高度更高，而扩散区域内LNG浓度较小。因此，在距离泄漏点较近的敏感区内必须考虑无风情况下泄漏危险浓度对于敏感区的影响。

2)通过研究不同风速对爆炸蒸气云浓度扩散的影响，发现5 m/s风速条件下，爆炸蒸气云浓度分布相比无风条件，纵向(沿风速方向)蔓延的距离更远，而横向范围，无风条件下的爆炸蒸气云浓度的范围更广；爆炸初期超压冲击波短暂上升后迅速下降，但在0.2 s内再次达到峰值。

3)采用FDS软件，对LNG接收站持续泄漏时引发油池火灾进行了模拟，掌握了其发生发展过程，发现火焰中心距离与辐射热流密度成反比；揭示了因LNG接收站泄漏引发连锁反应导致蒸气云爆炸与油池火灾的时空演化特征，为LNG接收站的选址、站内布局和储罐泄漏应急处置提供理论依据和支撑。